探索LMP91051：用于非色散紅外（NDIR）傳感應(yīng)用的可配置AFE

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，為特定應(yīng)用選擇合適的模擬前端（AFE）至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一款專為非色散紅外（NDIR）傳感應(yīng)用優(yōu)化的可配置AFE——LMP91051。

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一、LMP91051概述

LMP91051是一款雙通道可編程集成傳感器模擬前端，特別針對(duì)熱電堆傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，常用于NDIR應(yīng)用。它能在傳感器和微控制器之間提供完整的信號(hào)路徑解決方案，輸出電壓與熱電堆電壓成正比。其可編程特性使得一個(gè)設(shè)計(jì)就能支持多個(gè)熱電堆傳感器，避免了使用多個(gè)分立解決方案。

二、關(guān)鍵特性

2.1 雙通道輸入

具備雙通道輸入能力，可同時(shí)處理兩路信號(hào)，為多通道傳感應(yīng)用提供了便利。

2.2 可編程增益放大器（PGA）

提供兩種可編程增益模式（低/高），每種模式有四種可編程增益設(shè)置。低增益模式范圍為167V/V至1335V/V，高增益模式范圍為1002V/V至7986V/V，能適應(yīng)不同靈敏度的熱電堆傳感器。

2.3 “暗信號(hào)”偏移消除

通過(guò)抵消“暗信號(hào)”，優(yōu)化了ADC的滿量程使用，降低了ADC分辨率要求，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

2.4 支持外部濾波

可通過(guò)專用引腳A0和A1進(jìn)行額外的信號(hào)濾波（高通、低通或帶通），有效去除帶外噪聲。

2.5 共模發(fā)生器和8位DAC

共模發(fā)生器可提供1.15V或2.59V的共模電壓，增加了輸出動(dòng)態(tài)范圍。8位DAC用于偏移調(diào)整。

2.6 封裝形式

采用14引腳TSSOP封裝，體積小巧，適合空間受限的應(yīng)用。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

LMP91051的應(yīng)用十分廣泛，主要包括以下幾個(gè)方面：

3.1 NDIR傳感

在氣體檢測(cè)領(lǐng)域，如二氧化碳（CO?）檢測(cè)、酒精檢測(cè)等，利用NDIR技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的氣體濃度測(cè)量。

3.2 需求控制通風(fēng)

用于建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)調(diào)整通風(fēng)量，提高能源效率。

3.3 建筑物監(jiān)控

監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、氣體濃度等，保障建筑物的安全和舒適。

3.4 汽車應(yīng)用

如CO?座艙控制和酒精檢測(cè)，為汽車的安全性和舒適性提供保障。

3.5 工業(yè)安全與安保

檢測(cè)工業(yè)環(huán)境中的有害氣體，保障工作人員的安全。

3.6 溫室氣體和氟利昂檢測(cè)平臺(tái)

用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)生產(chǎn)中的氣體檢測(cè)。

四、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

4.1 可編程增益

范圍從167V/V到7986V/V，可根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整。

4.2 低噪聲

在0.1至10Hz頻率范圍內(nèi)，噪聲僅為0.1μVRMS，確保了信號(hào)的高質(zhì)量。

4.3 增益漂移

典型值為20ppm/°C，保證了增益在不同溫度下的穩(wěn)定性。

4.4 相位延遲漂移

典型值為300ns，減少了信號(hào)傳輸過(guò)程中的延遲誤差。

4.5 電源電壓范圍

2.7V至5.5V，可適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

五、功能描述

5.1 可編程增益放大器

LMP91051的PGA提供兩種增益模式和多種增益設(shè)置，通過(guò)GAIN1和GAIN2 [1:0]位進(jìn)行控制。在高增益模式下，輸入信號(hào)應(yīng)在+/-2mV范圍內(nèi)；低增益模式下，最大輸入信號(hào)可達(dá)+/-12mV。

5.2 外部濾波

通過(guò)EXT_FILT位選擇測(cè)量模式，當(dāng)EXT_FILT = 1時(shí)，可連接外部濾波器，如典型的帶通濾波器，進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量。

5.3 偏移調(diào)整

先測(cè)量“暗信號(hào)”，然后通過(guò)編程DAC進(jìn)行調(diào)整，再測(cè)量殘余暗信號(hào)，以確保系統(tǒng)在不同溫度下的準(zhǔn)確性。

5.4 共模生成

可提供1.15V或2.59V的共模電壓，為傳感器提供合適的偏置。但不建議在3.3V電源下使用2.59V的VCM。

5.5 SPI接口

用于編程設(shè)備參數(shù)，如PGA增益、外部濾波、PGA電源、偏移調(diào)整和共模電壓等。接口包括SDIO、SCLK和CSB引腳，支持讀寫(xiě)操作。

六、應(yīng)用信息

6.1 NDIR氣體傳感原理

NDIR技術(shù)基于氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的吸收特性。以CO?為例，其在4.26μm波長(zhǎng)處有強(qiáng)吸收，通過(guò)帶通濾波器去除其他波長(zhǎng)的光，利用熱電堆檢測(cè)光強(qiáng)度變化，從而測(cè)量氣體濃度。

6.2 傳統(tǒng)離散運(yùn)放信號(hào)調(diào)理

傳統(tǒng)的NDIR系統(tǒng)通常使用離散運(yùn)放進(jìn)行增益級(jí)設(shè)計(jì)，需要AC耦合來(lái)消除信號(hào)鏈偏移，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

6.3 LMP91051傳感器AFE在NDIR氣體傳感中的應(yīng)用

LMP91051集成了離散運(yùn)放的功能，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間和復(fù)雜度。它的雙通道PGA可輕松連接雙通道NDIR傳感器，通過(guò)消除光源偏差引起的誤差，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，其可編程增益和偏移調(diào)整功能可確保熱電堆輸出信號(hào)與ADC的動(dòng)態(tài)范圍匹配，提高系統(tǒng)分辨率。

6.4 LMP91051氣體檢測(cè)系統(tǒng)

以LMP91051為核心的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，采用Alphasense IRC - AT NDIR傳感器，包括IR燈、兩個(gè)熱電堆通道和一個(gè)用于溫度校準(zhǔn)的熱敏電阻。IR燈以1至3Hz的頻率、50%的占空比進(jìn)行調(diào)制，以節(jié)省功率并避免設(shè)備過(guò)熱。LMP91051的輸出由MSP430微控制器通過(guò)SPI進(jìn)行編程和采樣。

6.5 氣體檢測(cè)方法和設(shè)置

在雙通道NDIR系統(tǒng)中，通過(guò)比較有源通道和參考通道的峰 - 峰波形電壓來(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確性。在多路復(fù)用雙通道系統(tǒng)中，以較高的速率切換通道，并在切換前對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行多次采樣，以確保準(zhǔn)確采樣。

七、總結(jié)

LMP91051作為一款專為NDIR傳感應(yīng)用設(shè)計(jì)的可配置AFE，具有眾多優(yōu)勢(shì)，如可編程增益、低噪聲、偏移消除等。它不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，還能適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景。電子工程師在設(shè)計(jì)NDIR傳感系統(tǒng)時(shí)，LMP91051是一個(gè)值得考慮的選擇。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似的AFE選型問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。